外媒近日爆料,豐田將在今年推出一款全新的固態(tài)電池,續(xù)航里程500公里,可在10分鐘內(nèi)從空電充至滿電,充電速度接近傳統(tǒng)燃油車加油,并且安全隱患極小。

在固態(tài)電池因?yàn)槟瓿醯奈祦?lái)NIODay而重新成為熱點(diǎn)話題之際,豐田的這個(gè)消息,再一次引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。

因?yàn)?蔚來(lái)NIODay公布的續(xù)航超1000公里的所謂“固態(tài)電池”在被權(quán)威專家打臉之后,后來(lái)被證實(shí)是半固態(tài)電池,此時(shí)豐田被曝今年也要推出固態(tài)電池,難免被人用放大鏡辨真?zhèn)巍?/p>

按照豐田的計(jì)劃,搭載這款固態(tài)電池的原型車2022年才會(huì)推出,量產(chǎn)時(shí)間要到2025年前后,這比專家所提出的量產(chǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)——2030年,早了整整5年,是扯淡,還是大實(shí)話?

這又回歸到本源問(wèn)題:到底是什么阻礙了被稱為下一代動(dòng)力鋰電池解決方法的固態(tài)電池的發(fā)展?固態(tài)電池要到什么時(shí)候才能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用?

豐田的固態(tài)電池終于要來(lái)了

關(guān)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō),固態(tài)電池并非新鮮事物,而是一個(gè)長(zhǎng)期在攻克的下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)研發(fā)方向。

日本最大公立研究組織——新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO),在2008年公布的電池研發(fā)路線圖中就明確指出,要將固態(tài)電池作為未來(lái)新一代電池的發(fā)展方向。

工信部等四部委2017年二月聯(lián)合公布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方法》,首次提出要重點(diǎn)推動(dòng)固態(tài)電池等新體系動(dòng)力鋰電池的應(yīng)用,力爭(zhēng)使單體電池能量密度在2020年和2025年分別達(dá)到400Wh/kg以上及500Wh/kg。

從2012年開(kāi)始,豐田、三菱、寶馬、大眾、現(xiàn)代、松下、三星、戴森等公司陸續(xù)開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池,也公布過(guò)相關(guān)進(jìn)展,但是,還沒(méi)有哪一家公司能夠推出真正意義上的固態(tài)電池。

在2019年,固態(tài)電池將替代鋰離子電池成為下一代動(dòng)力鋰電池解決方法的相關(guān)話題曾經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn),但在魔幻的2020年,因?yàn)榘l(fā)生了太多匪夷所思的事情,固態(tài)電池的話題一度冷了下去。

直到2021年開(kāi)年不久,蔚來(lái)在NIODay上推出了150千瓦時(shí)的固態(tài)電池包,并聲稱搭載該電池的首款車型續(xù)航里程可達(dá)到1000km,預(yù)計(jì)2022年第一季度開(kāi)始交付,固態(tài)電池又重新進(jìn)入大眾視野。

豐田、寶馬、大眾等傳統(tǒng)車企巨頭以及松下、三星等有著豐富技術(shù)儲(chǔ)備的動(dòng)力鋰電池制造商都未能交出答卷的固態(tài)電池,反而被蔚來(lái)這個(gè)只有數(shù)年造車史的新公司先做出來(lái)了?

很快就有專家站出來(lái)指責(zé)蔚來(lái)撒謊。

國(guó)聯(lián)汽車動(dòng)力鋰電池研究院董事長(zhǎng)熊柏青說(shuō),“全固態(tài)電池現(xiàn)在距商業(yè)化還很遠(yuǎn),現(xiàn)在甚至做個(gè)演示都還很困難。10年內(nèi)完全攻克全固態(tài)難度挺大,反正至少這5年都沒(méi)戲。”

蔚來(lái)創(chuàng)始人李斌也很實(shí)誠(chéng),很快就公開(kāi)回應(yīng)稱他們采用的并非全固態(tài)電池,電池內(nèi)部還是帶有部分液體的。也就是說(shuō),蔚來(lái)所謂的“固態(tài)電池”,其實(shí)是半固態(tài)電池。

時(shí)隔不到一個(gè)月,有媒體曝出豐田將在今年內(nèi)推出一款全新的固態(tài)電池,這又是個(gè)噱頭嗎?

從目前公開(kāi)的信息來(lái)看,應(yīng)該不是噱頭。因?yàn)樨S田的這款固態(tài)電池,不像蔚來(lái)張開(kāi)就是續(xù)航1000公里,而是只有500公里續(xù)航,但充電速度很快,可在10分鐘內(nèi)將電量從空電充至滿電,而且具有極小的安全隱患。除了續(xù)航不夠“駭人”,充電時(shí)間和安全性都是固態(tài)電池該有的樣子。

事實(shí)上,豐田的固態(tài)電池并不像蔚來(lái)那樣突然出現(xiàn),而是早有預(yù)告。

日本車企對(duì)固態(tài)電池的技術(shù)規(guī)劃及應(yīng)用進(jìn)度是最快的,而豐田又是日本車企中的急先鋒,早就已經(jīng)對(duì)外展示了處于試制階段的固態(tài)電池樣品,原計(jì)劃是在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)期間向公眾展示搭載硫化物固態(tài)電池的電動(dòng)汽車。

但因?yàn)橐咔樵?東京奧運(yùn)會(huì)推遲一年舉辦,豐田也就推遲到2021年推出固態(tài)電池,這個(gè)邏輯合情合理。

固態(tài)電池商業(yè)化為何如此困難?

如上所述,固態(tài)電池是新一代動(dòng)力鋰電池的發(fā)展方向,許多公司早已展開(kāi)對(duì)固態(tài)電池的研究,為何專家們對(duì)固態(tài)電池的量產(chǎn)應(yīng)用時(shí)間抱著這么悲觀的態(tài)度——“5年內(nèi)都沒(méi)戲,10年內(nèi)完全攻克的難度也很大”?

固態(tài)電池的技術(shù)難度到底難在哪里?

首先,我們要認(rèn)識(shí)一下什么是固態(tài)電池,以及了解清楚固態(tài)電池為何被認(rèn)為是下一代動(dòng)力鋰電池解決方法。

目前,新能源汽車所使用的動(dòng)力鋰電池重要分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大類,但這兩者都屬于液態(tài)電池,采用的是液態(tài)電解質(zhì)。最近幾年新能源汽車進(jìn)入高速上升期,尤其是在電動(dòng)汽車標(biāo)桿特斯拉的推動(dòng)下,新能源汽車在2020年得到了爆發(fā)式上升,電動(dòng)汽車所搭載的磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的缺點(diǎn)都已完全暴露。

三元鋰離子電池雖然能量密度比較高,輸出功率較大,續(xù)航里程長(zhǎng),但安全性差,三元材料會(huì)在200℃時(shí)發(fā)生分解,在高溫用途下極易發(fā)生燃燒或爆炸的現(xiàn)象。過(guò)去幾年里,國(guó)內(nèi)就發(fā)生許多起電動(dòng)汽車自燃爆炸事故,引發(fā)許多消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車安全性的擔(dān)憂。

磷酸鐵鋰雖然安全性高,壽命長(zhǎng),但能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上三元鋰離子電池,無(wú)法滿足消費(fèi)者對(duì)續(xù)航里程要求越來(lái)越高的需求。

與此同時(shí),由于這兩種電池都采用液態(tài)電解質(zhì),都要很長(zhǎng)的充電時(shí)間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法比擬燃油車。

固態(tài)電池,顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。這種電池體積小,能量密度高,而且因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)不可燃、不漏液,即使在高溫情況下也不會(huì)著火,非常安全。

固態(tài)電池的技術(shù)路線有三條,包括聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)以及硫化物電解質(zhì),代表性公司分別是法國(guó)公司博洛雷(大型工業(yè)集團(tuán))、英國(guó)公司Ilika(全球?yàn)閿?shù)不多的從事固態(tài)電池設(shè)計(jì)和制造的獨(dú)立專業(yè)公司之一)、豐田。

這三條線路各有優(yōu)缺點(diǎn),在電導(dǎo)率、能量密度、成本價(jià)格和安全性能上的表現(xiàn),各有千秋。其中,硫化物的電導(dǎo)率和能量密度最強(qiáng),但成本最高、安全性最差;聚合物的成本最低,但電導(dǎo)率和能量密度最低;氧化物的安全性最高,但電導(dǎo)率、能量密度、成本表現(xiàn)都一般。

固態(tài)電池的三種技術(shù)路線及優(yōu)缺點(diǎn)

技術(shù)路線

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

聚合物全固態(tài)

容易加工,可以制備大容量電芯、機(jī)械性較軟,各項(xiàng)性能和目前使用的電解液(本質(zhì)是有機(jī)溶劑)有類似之處。工藝和現(xiàn)有的鋰離子電池比較接近,是最容易利用現(xiàn)有設(shè)備通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的固態(tài)電池。(1)離子電導(dǎo)率最低,必須加熱到60或85℃以上,離子電導(dǎo)率才會(huì)提升,車要經(jīng)常保持在充電和高溫狀態(tài);(2)容易短路(聚合物較為柔軟,鋰枝晶容易穿透固態(tài)電解質(zhì)造成短路);(3)能量密度有局限,由于聚合物是有機(jī)物,電化學(xué)穩(wěn)定性不好,跟三元兼容性不好,導(dǎo)致能量密度無(wú)法提升。

氧化物全固態(tài)

導(dǎo)電率高于聚合物,氧化物的離子電導(dǎo)率可達(dá)到10-4～10-5S/cm,通過(guò)摻雜能夠達(dá)到10-3S/cm的級(jí)別,但不如液態(tài)電解液。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。

(1)氧化物的機(jī)械性能堅(jiān)硬,假如用其制作電解質(zhì)片,較容易脆裂;(2)與正極活性材料的固-固接觸也不是太好,導(dǎo)致從面接觸變成點(diǎn)接觸,界面損耗過(guò)大。

硫化物全固態(tài)

硫化物接觸性好,所以整體的離子電導(dǎo)率性能非常好,是人類所發(fā)明的所有固態(tài)電池材料中唯一能超過(guò)液態(tài)電解液離子電導(dǎo)率水平的材料,也是全固態(tài)電池未來(lái)最可能的技術(shù)路線。

產(chǎn)品成本價(jià)格非常高,空氣穩(wěn)定性較差。硫化物化學(xué)活性很強(qiáng),與空氣、有機(jī)溶劑、正負(fù)極活性材料反應(yīng)都很強(qiáng)(尤其是與水接觸后直接出現(xiàn)H2S,H2S有毒有臭味),因此界面穩(wěn)定性很差,導(dǎo)致生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)都十分困難,限制了它的廣泛應(yīng)用。

總體來(lái)說(shuō),無(wú)論是哪一條技術(shù)線路,都存在技術(shù)瓶頸和成本高昂的問(wèn)題。

技術(shù)方面,目前的固態(tài)電解質(zhì)電阻太大,尚未找到既能兼顧高倍率又能快充的物質(zhì)做電解質(zhì),導(dǎo)電率、內(nèi)阻界面阻抗及相容性也存在問(wèn)題,這導(dǎo)致固態(tài)電池短時(shí)間內(nèi)無(wú)法應(yīng)用于市場(chǎng)。

成本方面,由于性能良好的材料非常昂貴,這導(dǎo)致固態(tài)電池的成本遠(yuǎn)高于三元鋰離子電池,家電巨頭戴森就因?yàn)楣虘B(tài)電池成本太高而決定及時(shí)止損不再造車。

什么時(shí)候才能真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?

正是因?yàn)槭芗夹g(shù)和成本所掣肘,固態(tài)電池的大規(guī)模商業(yè)化落地非常困難,業(yè)界對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè),如同全面實(shí)現(xiàn)L5級(jí)全自動(dòng)駕駛應(yīng)用相同悲觀。

那么,固態(tài)電池還要多長(zhǎng)時(shí)間才能搭載在量產(chǎn)車身上?

從車企和動(dòng)力鋰電池商的研發(fā)進(jìn)展來(lái)看,一些先頭特種可能在2021/2022年進(jìn)入試制或投入市場(chǎng)階段,2025年左右實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2020年年底,美國(guó)電池技術(shù)公司SolidPower、研發(fā)固態(tài)電池的初創(chuàng)公司QuantumScape以及豐田汽車紛紛宣布在固態(tài)電池領(lǐng)域取得新突破。

與寶馬、福特合作的SolidPower宣布已經(jīng)生產(chǎn)和交付其第一代2Ah全固態(tài)電池,能量密度達(dá)320Wh/kg,準(zhǔn)備2021年投放市場(chǎng),2026年應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

大眾汽車所控股的QuantumScape所研發(fā)的固態(tài)電池,能供應(yīng)380至500wh/kg的能量(當(dāng)前特斯拉電池能量大約是260wh/kg),計(jì)劃2025年建立固態(tài)電池量出現(xiàn)產(chǎn)線。

而豐田搭載固態(tài)電池的原型車將在2022年才會(huì)推出,量產(chǎn)時(shí)間則要等到2025年前后。

另外,現(xiàn)代汽車投資的美國(guó)初創(chuàng)公司IonicMaterials,計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)應(yīng)用固態(tài)電池電動(dòng)汽車的量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)城汽車計(jì)劃在2025年量產(chǎn)量量密度達(dá)350～500Wh/kg的固態(tài)電池,北汽集團(tuán)2025年前上市的新車有望搭載400Wh/kg的固態(tài)電池。

從這些公司的布局來(lái)看,2025年是一個(gè)重要節(jié)點(diǎn),固態(tài)電池要到這一年前后才開(kāi)始逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。

但2025年只是剛剛開(kāi)始量產(chǎn),也就是說(shuō),這是個(gè)試水市場(chǎng)的初級(jí)階段,真正實(shí)現(xiàn)成熟的商業(yè)化應(yīng)用還需更長(zhǎng)時(shí)間。

在一月份的我國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上公開(kāi)懟“1000km續(xù)航”的我國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)副理事長(zhǎng)歐陽(yáng)明高認(rèn)為,以目前的技術(shù)進(jìn)展,全固態(tài)電池還要十年以上的時(shí)間才能夠在技術(shù)和制造工藝上達(dá)到量產(chǎn)的條件。“當(dāng)然,這是在沒(méi)有意料之外的巨大科學(xué)突破的情況下。”

在他看來(lái),全固態(tài)電池預(yù)計(jì)要到2030年才有條件實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

雖然也有部分專家樂(lè)觀認(rèn)為2025年能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn),比如合肥國(guó)軒高科工程研究總院常務(wù)副院長(zhǎng)徐興認(rèn)為“固態(tài)電池真正的大規(guī)模應(yīng)用預(yù)計(jì)要到2025年”,但是否屬于真正的全固態(tài)電池(也可能是蔚來(lái)那樣的半固態(tài)電池或準(zhǔn)固態(tài)電池),應(yīng)用規(guī)模具體有多大,都要打個(gè)大問(wèn)號(hào)。

眼下可以確定的是,豐田即將推出的固態(tài)電池雖然推動(dòng)行業(yè)技術(shù)向前邁進(jìn)了一小步,但距離最終目標(biāo)——大規(guī)劃商業(yè)化應(yīng)用,還有很長(zhǎng)的路要走。